En omfattende oversigt over FPGA termisk design

    For at enhver chip skal fungere, skal den opfylde et temperaturområde. Denne temperatur refererer til temperaturen på siliciumchippen, som normalt kaldes overgangstemperaturen.
ALTERAs FPGA er opdelt i to typer: kommerciel kvalitet (kommerciel) og industriel kvalitet (induatrial). Forbindelsestemperaturintervallet for chips af kommerciel kvalitet, der kan fungere normalt, er 0~85 grader Celsius, mens området for chips af industrikvalitet er -40~100 grader Celsius. I selve kredsløbet skal vi sikre, at chippens overgangstemperatur er inden for dets acceptable område.

Efterhånden som chippens strømforbrug stiger, vil der blive genereret mere og mere varme under arbejdet. Hvis du vil holde chippens overgangstemperatur inden for det normale område, skal du tage visse metoder til hurtigt at sprede den varme, der genereres af chippen, til miljøet.
Enhver, der har studeret fysik i mellemskolen, ved, at der er tre hovedmetoder til varmeoverførsel, nemlig ledning, konvektion og stråling, og disse metoder bruges også af chips til at sprede varme udad.
Nedenstående figur viser en forenklet model for spånvarmeafledning. Varmen genereret af chippen i figuren overføres hovedsageligt til chippens ydre pakke. Hvis der ikke er en køleplade påsat, vil den blive direkte spredt fra chippakkens skal til miljøet; hvis der tilføjes en køleplade, vil varmen blive overført fra den ydre pakke af chippen gennem kølepladeklæberen. til kølepladen og derefter til miljøet gennem kølepladen. Generelt er overfladearealet af kølepladen lavet ret stort, og kontaktfladen med luften er stor, hvilket er befordrende for varmeoverførsel. Det har vist sig i sædvanlig praksis, at de fleste køleplader er sorte, fordi sorte genstande er nemme at udstråle varme udad, hvilket også er befordrende for udadgående varmeafledning. Og jo hurtigere vindhastigheden er på overfladen af ​​kølepladen, jo bedre er varmeafledningen.

Forenklet chip varmeflow model
Derudover ledes en lille mængde varme til chippens loddekugler gennem chipsubstratet og spreder derefter varmen til miljøet gennem PCB'en. Da andelen af ​​denne del af varme er relativt lille, ignoreres denne del, når man diskuterer den termiske modstand af chippakken og kølepladen nedenfor.

Først og fremmest skal vi forstå begrebet "termisk modstand". Termisk modstand beskriver en genstands evne til at lede varme. Jo mindre termisk modstand, jo bedre varmeledningsevne, og omvendt. Dette minder lidt om begrebet modstand.

Fra den termiske modstand af chippens siliciumchip til miljøet, under antagelse af, at al varmen til sidst spredes til miljøet af kølepladen, kan en simpel termisk modstandsmodel fås, som vist i figuren nedenfor:

Chipkølingsmodel med køleplade
Den totale termiske modstand fra matricen til omgivelserne kaldes JA, og opfylder således:
JA=JC plus CS plus SA
JC refererer til den termiske modstand fra chippen til den eksterne pakke, som generelt leveres af chipleverandøren; CS refererer til den termiske modstand fra den eksterne pakke af chippen til kølepladen. Hvis kølepladen er fastgjort til overfladen af ​​chippen med termisk ledende klæbemiddel, skal denne termiske modstand styre den termiske klæbemiddel. Termisk modstand leveres generelt af leverandøren af ​​termisk ledende klæbemiddel; SA refererer til den termiske modstand fra kølepladen til miljøet, som generelt er givet af kølepladeproducenten. Denne termiske modstand falder med stigningen af ​​vindhastigheden, og producenten normalt. De termiske modstandsværdier ved forskellige vindhastigheder vil blive angivet.
Selve chippens pakke fungerer som en køleplade. Hvis chippen ikke har en køleplade, er JA siliciumchippens termiske modstand mod miljøet efter at være blevet pakket. Denne værdi er tydeligvis større end JA-værdien med en køleplade. Denne værdi afhænger af egenskaberne af selve chippens pakke og leveres generelt af chipproducenten.
Figuren nedenfor viser pakkens termiske modstand for ALTERA's STRATIX IV-enhed. Det giver chippens JA-værdi ved forskellige vindhastigheder, og disse værdier kan bruges til at beregne situationen uden køleplade. Derudover bruges JC til at beregne den samlede JA-værdi med køleplade.

Termisk modstand af Stratix iv enhedspakker
Hvis vi antager, at den strøm, der forbruges af siliciumchippen, er P, så:
TJ(krydstemperatur)=TA plus P*JA
Det er nødvendigt at sikre, at TJ ikke kan overskride den maksimale overgangstemperatur, der tillades af chippen, og derefter beregne det maksimalt tilladte krav til JA i henhold til den omgivende temperatur og den faktiske effekt, der forbruges af chippen.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(omgivelsestemperatur)
Hvis JA af selve chippakken er større end denne værdi, er det nødvendigt at overveje at tilføje en passende varmeafledningsanordning til chippen for at reducere den effektive JA-værdi fra chippen til miljøet og forhindre chippen i at overophedes.
I et egentligt system vil en del af varmen også forsvinde fra printet. Hvis printet har mange lag og et stort areal, er det også meget befordrende for varmeafledning.